純電動車輛用鋰離子電池專利現狀及發展態勢分析

施穎佳　盧世晴　方紅

摘? 要：為掌握純電動車輛用鋰離子電池的發展現狀，文章基于DI專利數據庫、INCOPAT專利數據庫對車輛鋰離子電池的專利情況進行了深入的分析，多維度揭示國內外發展趨勢，總結國家分布，梳理研究熱點，指出當前我國純電動車輛鋰離子電池技術產業存在技術發展時間短、領先優勢不足、專利國際布局不合理、技術保護有待加強等問題，需要深化企業以及研究機構之間的合作，緊跟國家政策并進行專利預警。

關鍵詞：純電動車輛；鋰離子電池；專利分析；電池技術

中圖分類號：TP39；G306；C18 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）19-0063-06

Patent Status and Development Trend Analysis of Lithium-ion Batteries for Pure Electric Vehicles

SHI Yingjia， LU Shiqing， FANG Hong

（Institute of Scientific and Technological Information of Zhejiang Province， Hangzhou? 310006， China）

Abstract： In order to master the development status of lithium-ion batteries for pure electric vehicles， this paper conducts an in-depth analysis of the patent situation of lithium-ion batteries for vehicles based on DI patent database and INCOPAT patent database， reveals the development trend at home and abroad in a multi-dimensional way， summarizes the national distribution， combs out research hotspots， and points out that the current pure electric vehicle lithium-ion battery technology industry in China has such problems as short technology development time， insufficient leading advantages， unreasonable international distribution of patents， and technology protection needs to be strengthened， require deepening cooperation between enterprises and research institutions， closely following national policies， and conducting patent early warnings.

Keywords： pure electric vehicle; lithium-ion battery; patent analysis; battery technology

0? 引? 言

隨著對零排放、無污染、環境友好型新能源需求的增長，各國投入了大量資源開發新能源技術，新能源汽車產業進入快速發展階段，我國的新能源汽車保有量已經達到全球55%[1]，而鋰離子電池作為新能源電動汽車產業中最關鍵的一環，直接影響新能源汽車的使用。鋰離子電池具有容量大、循環壽命長、自放電率小和無環境污染等優點[2]，有望取代氫鎳電池，成為新能源電動汽車的主要動力電池[3]，發展前景廣闊。我國作為鋰離子電池的產出大國，動力電池技術水平不斷提升，但是在快速發展的過程中也面臨不少難題，比如電池安全性以及壽命有待提升，環保性有待加強，高能量與高功率的兼容性難以平衡等[4]。

專利信息是反映領域發展的重要指標之一，通過專利分析能從宏觀上掌握發展趨勢與潛在市場，微觀上能掌握技術熱點與瓶頸。當前對鋰離子電池專利分析的研究集中在產業現狀、電池主材以及電池性能等方面，如蘭鳳崇等人利用專利信息分析了全球鋰離子電池產業的現狀，認為政府應加快企業資源整合，促進產學研發展，開展國際合作[5]；張謙等人對三元正極材料進行分析，詳細研究其技術路線與工藝制備，認為需要完善技術分支布局，形成專利聯盟[6]；靳文婷等人基于專利搜索引擎，研究了鋰離子電池能量密度的發展態勢，認為應進一步加大產學研合作，改進電池電芯的主要材料以及制造工藝[7]。當前的研究成果十分豐富，然而，鋰離子動力電池的應用范圍廣泛，除電動汽車領域，還有能應用于電動自行車、電動三輪車等，本文集中于純電動車輛領域研究，研究結果更具有針對性，能夠為國家和企業制定發展規劃提供決策參考。

1? 專利數據庫選擇與分析維度

純電動車輛鋰離子電池專利數據來源于Derwent Innovation專利數據庫，檢索了1991年至2021年的純電動車輛鋰離子電池領域的所有專利，得到20 361件專利（由于專利從申請至公開以及被數據庫收錄會存在一定滯后期，故2021年的專利數量僅供參考[8]），將其作為分析的基礎數據，分析工具綜合應用了DDA、DI專利地圖以及Incopat等軟件，從專利申請趨勢、主要申請國家/地區、主要申請人、技術功效等多維度展開分析研究。

2? 全球發展趨勢研究

2.1? 整體態勢分析

由圖1可知純電動車輛鋰離子電池領域的發展經過了3個階段。2000年前處于萌芽期，能源危機不顯著，研究處于較低水平，盡管專利申請量為個位數，但是研究成果具有建設性，Padhi等人發現的磷酸鹽已成為當前主流的正極材料，日本和美國的專利幾乎占領整個市場[9]。2000年至2007年進入緩慢發展期，電動汽車相關行業技術發展還未成熟，相關專利數量不多，日本和美國依然技術領先。2008年后進入快速發展期，各國對能源危機關注增加，對產業發展的扶持力度增強，特別是在各國宣布禁售燃油車時間后，專利量大幅增長，除日本與美國以外，中國實力突出，為整個產業的發展貢獻了巨大力量。2019年后專利申請量略有下降，可能是專利申請存在時間滯后。與此同時，專利趨勢線趨向平緩，電池產業的發展迎來了最佳時期，增長量趨于穩定，專利從量向質轉變。

2.2? 專利優先權國家分布分析

由于技術水平與戰略布局不同，對純電動車輛鋰離子電池的研發集中于部分國家，由圖2可知，日本、德國、中國、美國和韓國為主要市場。日本處于領先地位，申請量占比為60.01%；德國和中國的專利申請量占比接近，均為2 000件左右，占比分別為10.53%和10.79%；美國和韓國占比接近，均為1 000件左右，占比分別為6.71%和5.75%。

日本是研發最早、實力最強、專利最多的國家，于20世紀就已經產出較多專利，在進行本國專利保護的同時還布局于美國、德國、韓國等國際市場，以松下、豐田等車企為代表，既有純電動車輛研發優勢，又能夠直接向市場供應鋰離子電池[6]；德國在2007年前關注蓄電池、搖椅式電池等方面的研究，2007年至2012年期間進入技術儲備期，投入科研精力較大，但是2012年之后的研發不夠活躍，出現申請量下降的趨勢；中國專利申請總量高，但是起步晚，直到2013年才突破100件，電動汽車市場規模的擴大帶動了純電動車輛鋰離子電池的發展，近年來產業發展環境優化，技術創新能力持續提升[10]，既有實力雄厚的動力電池企業，也有純電動汽車研發企業，優勢企業有寧德時代、比亞迪、國軒高科等公司；美國投入研發也較早，以磷酸鐵鋰電池為主，以研發鋰硫電池、鋰空氣電池等體系為未來發展方向[11]，以特斯拉、通用汽車、福特公司等企業為代表，研究方向較為前沿，并在德國布局了14%的專利，在世界知識產權組織布局了24%的專利，國際市場份額占比較高。韓國則以三星、LG為代表，主要以鋰離子動力電池企業為主，但是純電動車輛研發優勢稍顯不足。

2.3? 主要專利申請人分析

由圖3可知純電動車輛鋰離子電池專利前10位申請人中有7個來自日本，日本表現突出，其中豐田汽車有限公司申請專利最多，共有2 817件，遠高于其他公司，且專利布局于6個國家，注重國際市場擴展，在全固態鋰離子電池方面科研水平突出；日產汽車有限公司為日本跨國汽車制造商，是最早將鋰離子電池用作動力電池的企業。韓國的優勢企業主要在鋰離子電池獨立供應方面，三星集團和LG化學均為電池生產商。博世有限公司從事汽車與智能交通技術、工業技術和能源技術等產業，專利申請量為1 090件，位列第二，領域涉及動力電池管理系統技術與系統集成方面。雖然中國的專利總量較大，但是由于起步晚，產業集中優勢未凸顯，專利較為分散。

2.4? 技術趨勢分析

通過對圖4專利地圖的分析，發現純電動車輛鋰離子電池領域研究內容涉及動力電池產業鏈的上、中、下游。

基材層、活性物質、電極活性材料層等為鋰離子電池原材料、電芯材料的研究重點，可細分為正極材料、負極材料、電解質材料和隔膜材料。正極材料中，復合氧化物關注度較高，特別是鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物和鋰錳氧化物等，而三元材料作為鎳鈷錳酸鋰和鎳鈷鋁酸鋰為代表的多元金屬復合氧化物，具有三種金屬的優勢的能力[12]，是各企業研究的重點。此外，磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰同樣受到關注，尤其是磷酸鐵鋰，由于原材料低廉[13]，循環性和安全性好，能量密度較低的優勢，深受客車以及部分物流車廠商的青睞。負極材料中石墨相關專利較多，此外硅、納米硅等非碳材質關注度也在不斷提升。電解質材料集中在非水有機溶劑、有機電解質等方面，其他非活性材料成分，如黏合劑成分、熱熔等也受到關注。隔膜材料研究集中在微孔薄膜、活性物質顆粒等方面。

此外，電池外殼、鋰離子電池模塊、裝配、電極組件等整合制造也受到持續關注，檢測電路、電壓、充電、電力等與電池性能有關的專利數量也較多，由于當前鋰離子動力電池還存在工作電壓不穩定、變化大、充電慢、充電難等問題，對性能研究是未來研究重點。

3? 中國發展趨勢研究

3.1? 整體態勢分析

由圖5可知，中國的純電動車輛鋰離子電池專利產出同樣經歷了三個階段。第一階段為萌芽期（2003年前），幾乎沒有相關專利產出，部分專利產自外國企業，處于技術儲備階段，主要對鋰離子電池的活性材料方面進行研究。第二階段為緩慢發展階段（2003—2009年），專利產量與申請人數量逐年遞增，但每個申請人的專利量不多，產業集中優勢尚不明顯，專利集中于搖椅式電池、蓄電池等方面。第三階段為快速發展階段（2010—2021年），新能源汽車基本具備產業化發展實力，純電動汽車和混合動力汽車開始小規模投放市場，鋰離子電池相關專利申請量激增?！缎履茉雌嚠a業發展規劃（2021—2035年）》中提到，2025年新能源汽車銷量將達到新車總銷量的20%左右，到2035年，純電動汽車將成為新銷售車輛主流，可見國內市場發展空間將不斷壯大，鋰離子動力電池技術突破將是今后發展重點。

3.2? 專利布局情況分析

圖6展示了純電動汽車鋰離子電池中國企業專利布局情況，專利申請總量為2 226件，主要布局于本國，國內電動車市場需求量大、政策扶持力度大，發展環境良好，對于在該領域發展了僅10年左右的中小企業而言，國內成為專利布局的首要選擇，但在其他國家布局的專利數量不多，總和占比不到6%。

國內專利申請量靠前的省份集中于長三角、京津冀和珠三角城市圈范圍內，排名第一的為廣東省，作為珠三角核心城市，鋰離子動力電池產業鏈完整，多家龍頭企業坐落于此，如比亞迪集團和比克電池等。江蘇、浙江、上海、安徽、湖北為長三角經濟帶中下游城市，聚集了合肥國軒高科動力能源有限公司、蜂巢能源和上海航天電源等優勢企業，浙江大學、同濟大學和南京大學等實力院校。北京和天津作為京津冀城市圈代表，高校的科研實力強于其他地區，清華大學、北京理工大學和北京工業大學等產出大量專利。

3.3? 主要申請人分析

中國純電動車輛鋰離子電池領域專利申請人情況如圖7所示，位列前10的申請人有寧德時代新能源科技股份有限公司、合肥國軒高科股份有限公司、中國電子科技集團有限公司等機構，其中寧德新能源科技有限公司為日本TDK集團屬下全資獨立運作公司，其余9家為中國機構，國內市場以本體企業為研究主力。

寧德時代新能源科技有限公司在新能源汽車動力電池系統、儲能系統的研發、生產等方面有較強實力，專利申請量為47件，位列首位。公司近幾年關注電池的循環性、穩定性、密度等方面，研發動向與市場需求緊密結合；合肥國軒高科股份有限公司的專利申請量為46件，專利全部布局在國內，主要布局在公司本部所在地—安徽省，近十年關注鋰離子電池降低結構復雜性、提高安全性、提高操作便利性等方面的內容；中國電子科技集團有限公司控股多家鋰離子電池企業，如天津力神電池股份有限公司、天津清源電動車輛有限公司等，專利申請量為44件，遍布多個省份，如天津、湖北和江蘇等地，近幾年的關注點集中在提高安全性、降低生產成本、降低結構復雜性等方面；比亞迪公司為主要申請人中唯一的一家汽車制造商，綜合實力較強，專利被引頻次高于其他企業，專利的質量較高，關注電池穩定性、循環性和兼容性等方面的內容。中國科學院和清華大學均為國內高水平院校，大部分專利集中于電池材料方面的探索，并且注重專利轉化。

3.4? 技術趨勢分析

由圖8可知中國純電動車輛鋰離子電池專利研究熱點與全球近似，但細化領域略有不同。在四大主材中，中國最關注電池的負極材料，共有相關專利492件，以鈦酸鋰、石墨等為研究熱點，近幾年硅負極材料、預鋰化技術的相關專利增多。正極材料相關專利共有488件，磷酸鐵鋰（LiFePO4）、復合正極材料、聚合物等為研究熱點。電解液的相關專利為229件，非水電解質、非水溶劑、有機溶劑、碳酸酯類等為研究熱點。隔膜相關專利有168件，聚合物、無紡布、聚烯烴等為熱點研究內容。

電池整合制造方面集中于電芯組件、極耳、核/芯、控制機制、組裝等方面。其中，控制機制等作為電池管理系統（BMS）的核心，是國內研究的熱點，關注度高于國外。此外，電池性能研究熱點集中在驅動電路、電壓、溫度、參數等內容，主要涉及電壓穩定性、充放電穩定性、電池容量、電池充電溫度、電池續航里程等方面。

從圖9的技術功效分類來看，提高電池安全性能，降低生產成本和結構復雜性，提高穩定性等為近幾年專利布局的重點，最受關注的是安全性，電池安全為應用的基礎，國內申請人已經布局了較多專利，自2013年起一直為熱點。其次為降低成本，成本過高為制約電池廣泛應用的重要因素，會導致無法形成規模效應。環境改善相關研究在2014年至2016年間熱度較高，近幾年略有降低。目前高效安全的電池回收處理方法不夠完善，沒有市場化機制，存在巨大發展潛能，值得各大廠商關注。

4? 結? 論

通過對純電動車輛鋰離子電池領域專利的研究，本文得出以下結論：

1）產業發展進入最佳時期，專利申請量增長較快，國際市場以日、中、德、美、韓企業為主。日本絕對優勢突出，發展穩定，以汽車廠商為研發主力軍，產業整合能力強；美、韓和德國企業進入市場較早，但近幾年發展略有疲軟；中國由于技術發展時間短，單個企業的申請量難以和國際領先企業比肩，但發展潛力巨大，且當前專利申請總量較高，國內市場本地企業優勢明顯，電池廠家優勢突出。

2）專利布局方面，日本、美國、韓國等國家均在國際市場謀劃布局，但是中國企業專利大部分布局集中在國內，主要集中于經濟發達城市群，國際專利布局戰略有待優化，究其原因，一方面中小企業缺乏專利保護意識，未及時申請國際專利，未將知識產權保護與企業整體發展結合在一起，導致被國外企業占領先機。另一方面，專利研發實力不足，價值水平不高，未達到國際專利水平。

3）技術熱點與功效方面，國內外均在動力電池全產業鏈布局大量專利，特別是上游原材料以及中游電芯材料方面，專利量較大，下游整合制造方面也受到持續關注，國內研究熱點緊跟全球熱點，此外，成本和安全問題一直為國內企業關注點，因為成本較高和安全性有待提高導致產業規模不大，難以突破規模壁壘，因此突破這兩大難點有助于我國企業的長遠發展。

隨著中國市場的重要性凸顯，越來越多的國外企業會更加關注中國市場，為了應對發展過程中的薄弱點，保持國內企業發展優勢，穩定專利申請量增長態勢，本文提出以下幾點建議：

1）深化企業、高校以及科研機構間交流合作，提升專利質量，促進技術向市場的轉化。高校及研究機構在開發新產品、跟蹤最新技術、掌握前沿研究方面存在突出優勢，企業則在規?；a、生產工藝的研發以及產業化經營等方面具有優勢，因此深化產學研合作，采取聯合開發、技術轉讓等形式，形成利益共同體，發揮各自的優勢，加快專利成果落地，讓核心專利研發和市場搶占兩不誤。

2）國家助力企業發展，企業緊跟政策步伐。新能源汽車及相關產業興起初期，國家出臺了極大力度的補貼和支持政策，激勵大量企業進入市場，近年來，資質審核更加嚴格，技術門檻不斷提高，倒逼了企業提高產品質量，有助于產業向著高質量方向發展。

3）企業加強專利信息預警，提升全球戰略意識。探索專利信息預警長效機制，把握競爭對手研發的技術方向，借鑒先進技術，避免低水平重復研究，從而提高自身技術創新效率。另外，企業需要提升專利全球布局意識，積極申請國際專利，利用專利技術壁壘壟斷優勢，拓展國際市場份額。

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作者簡介：施穎佳（1993—），女，漢族，浙江嘉興

人，館員，碩士，主要研究方向：科學計量學、文獻計量學；盧世晴（1992—），女，漢族，湖北武漢人，館員，碩士，主要研究方向：圖書情報學；通訊作者：方紅（1976—），女，漢族，浙江杭州人，副館長/副研究員，碩士，主要研究方向：文獻計量、產業研究、專利分析。

收稿日期：2022-12-12

基金項目：浙江省科技信息研究院基本科研項目（2023jbky08）